الگوها در فرگشت کلان

کندوکاو در داده‌ها³: الگوهای انقراض

انقراض واقعیتی از تاریخ حیات است. همانطور که در طول تاریخ زمین نسب‌های جدیدی فرگشت یافته‌اند، نسب‌هایی هم منقرض شده‌اند. این توازن میان گونه‌زایی و انقراض باعث جایگزینیِ مداوم در مجموعهٔ گونه‌های زنده در هر مقطع زمانی شده است. زیست‌شناسان مدت‌هاست در این فکرند که آیا الگوهایی در این جابه‌جاییِ تنوع زیستی وجود دارد یا نه. به‌ویژه، آیا عواملی وجود دارند که یک گونه را مستعدِ انقراض کنند؟ پاسخ به این سوال فوریت یافته است، چون با چیزی روبرو هستیم که به نظر می‌رسد ششمین انقراض بزرگ زمین باشد؛ انقراضی که عامل آن نه برخورد شهاب‌سنگ‌ها یا فعالیت‌های آتشفشانی، بلکه انسان‌ها هستند. اگر بتوانیم بفهمیم کدام گونه‌ها در برابر انقراض آسیب‌پذیرترند، شاید بتوانیم راه‌های بهتری برای محافظت از آنها پیدا کنیم.

زیست‌شناسان پیشتر دریافته‌اند که جثهٔ بزرگ یک عاملِ خطر برای انقراض است. چند فرضیهٔ شهودی می‌تواند این را توضیح دهد. جانداران بزرگ‌تر اغلب کندتر تولیدمثل می‌کنند، فرزندان کمتری دارند و دیرتر بالغ می‌شوند، پس اگر تعدادشان کاهش یابد نمی‌توانند به سرعت جبران کنند. جانداران بزرگ‌تر همچنین اغلب از ابتدا جمعیت‌های کوچک‌تری دارند و برای حفظ آن جمعیت‌ها به قلمروِ زیستیِ بزرگ‌تری نیاز دارند، و اگر بخشی از آن قلمرو غیرقابل سکونت شود، در معرض خطر انقراض قرار می‌گیرند. این الگو (افزایشِ خطرِ انقراض با بزرگ‌تر شدنِ جثه) در چندین گروه مختلف از جانوران مشاهده شده است. برای مثال، در میان گونه‌های زندهٔ پرندگان، احتمالِ اینکه پرندگانِ درشت‌جثه‌تر در معرض خطرِ بالاترِ انقراض باشند بیشتر است. زیست‌شناسان، مِلیسا کِمپ و الیزابت هَدلی⁴، در این فکر بودند که آیا این الگو برای مارمولک‌های کارائیب، که یک کانونِ تنوع زیستی است، طی چند میلیون سال گذشته هم صدق می‌کند یا نه. آیا جثهٔ بزرگ‌تر با خطرِ بیشترِ انقراض در مارمولک‌های کارائیب همراه است؟

فرضیه‌ها

مِلیسا و لیز سوالشان را با آزمون‌های آماری‌ای بررسی کردند که بر یک «فرضیهٔ صفر⁵» تکیه دارند. فرضیهٔ صفر پیشنهاد می‌کند که هیچ تفاوت یا ارتباطی بین متغیرها وجود ندارد. اگر آزمون‌های آماری فرضیهٔ صفر را رد کنند، آنگاه می‌دانید الگوهای موجود در داده‌ها فقط ناشی از تصادف نیستند و احتمالاً معنادارند. از این رو، فرضیه‌های صفرِ تیم اینها بودند:

۱) گونه‌های منقرض‌شدهٔ مارمولک در کارائیب همان توزیعِ اندازهٔ جثه را دارند که گونه‌های زندهٔ مارمولک در کارائیب. احتمالِ منقرض شدنِ گونه‌های بزرگ‌تر طی ۲٫۶ میلیون سال گذشته به‌طور خاص بیشتر نبوده است.

۲) در میان مارمولک‌های امروزیِ کارائیب، گونه‌های در معرض تهدید همان توزیعِ اندازهٔ جثه را دارند که گونه‌هایی که در خطر انقراض نیستند (یعنی گونه‌های «کمترین نگرانی⁶»). در میان گونه‌های امروزی، احتمالِ اینکه گونه‌های بزرگ‌تر در معرض خطرِ بیشترِ انقراض باشند به‌طور خاص بیشتر نیست.

آزمودنِ این فرضیه‌های صفر مستلزم مقایسهٔ داده‌های گونه‌های امروزیِ مارمولک با داده‌های فسیل‌ها بود. اما این کار یک سوگیریِ احتمالی را وارد مطالعه می‌کرد. اگر احتمالِ حضورِ گونه‌های بزرگ‌تر یا کوچک‌تر در سنگواره‌ها بیشتر باشد چه؟ این می‌توانست الگویی در داده‌ها ایجاد کند -الگویی که مِلیسا و لیز ممکن بود آن را اشتباهاً «سوگیریِ انقراض» تلقی کنند، در حالی که در واقع «سوگیریِ حفظ‌شدگی» (اینکه کدام گونه‌ها احتمالِ بیشتری برای فسیل شدن دارند) بود. برای ردِ این احتمال، مِلیسا و لیز باید یک فرضیهٔ صفرِ دیگر را هم بررسی می‌کردند:

۳) گونه‌های مارمولکِ کارائیب که از روی فسیل‌ها شناخته شده‌اند همان توزیعِ اندازهٔ جثه را دارند که گونه‌هایی که از مطالعاتِ میدانیِ امروزی شناخته شده‌اند. فسیل شدن به اندازهٔ جثه وابسته نیست.

این جدول هر سه فرضیهٔ صفر را خلاصه می‌کند:

داده‌ها

برای آزمودنِ فرضیه‌هایشان، مِلیسا و لیز به داده‌های زیادی دربارهٔ اندازهٔ جثه در مارمولک‌های امروزی و باستانیِ کارائیب نیاز داشتند، و همچنین به اطلاعاتی دربارهٔ اینکه کدام گونه‌ها منقرض شده‌اند و کدام در حال حاضر در معرض تهدیدِ انقراض هستند. خوشبختانه، بخش زیادی از این داده‌ها پیشتر توسط پژوهشگرانِ دیگر جمع‌آوری شده بود. مِلیسا و لیز مجموعهٔ داده‌هایشان را از مطالعاتِ منتشرشدهٔ پیشین گردآوری کردند و اندازهٔ جثهٔ مارمولک‌های منقرض‌شده را از روی اندازهٔ استخوان‌های فسیل‌شده و گونه‌های امروزیِ نزدیک به آنها تخمین زدند. اندازهٔ جثه با فاصلهٔ بین نوکِ پوزهٔ مارمولک و شکافِ کلواکی‌اش سنجیده شد -یعنی «طولِ پوزه تا مخرج⁷». برای اینکه الگوهای موجود در داده‌ها راحت‌تر دیده و بررسی شوند، آنها داده‌ها را با استفاده از ریاضیات تبدیل کردند. به طور مشخص، لگاریتمِ SVL را برای همهٔ گونه‌های مارمولک گرفتند. این کار بزرگیِ هر داده را تغییر می‌دهد، ولی روابطِ بین داده‌ها را حفظ می‌کند (مثلاً بزرگ‌ترین عددِ خام پس از تبدیلِ لگاریتمی همچنان بزرگ‌ترین است). آنها گونه‌های امروزی را بر اساس وضعیتِ حفاظتی‌شان در فهرست سرخِ اتحادیهٔ بین‌المللی حفاظت از طبیعت⁸ به دو دستهٔ «در معرض تهدید» و «غیر در معرض تهدید» تقسیم کردند.

آزمودنِ فرضیهٔ صفرِ ۳ -آیا گونه‌هایی که از روی فسیل‌ها شناخته شده‌اند همان طیفِ اندازه را دارند که گونه‌های شناخته‌شده از مطالعاتِ میدانیِ امروزی؟ هرچند این سوال هدفِ اصلیِ مطالعه نبود، دانستنِ پاسخ آن برای تفسیرِ داده‌های فرضیهٔ صفرِ ۱ ضروری بود.

از این نمودار (و میله‌های صورتیِ بسیار بلندترش) روشن است که گونه‌های بسیار بیشتری از مطالعاتِ میدانیِ امروزی شناخته شده‌اند تا از مطالعهٔ فسیل‌ها. ولی آیا یک گروه گرایش به داشتنِ گونه‌های بزرگ‌تر دارد؟ اندازهٔ جثه روی محور x نشان داده شده است. مثلث‌ها در نمودار بالا نشان‌دهندهٔ میانگینِ لگاریتمِ اندازهٔ جثه برای هر گروه هستند، و به نظر می‌رسد مشابه باشند (یادداشتِ آبی را ببینید). آمار می‌تواند به ما بگوید آیا آن تفاوتِ کوچک احتمالاً یک الگوی معنادار است یا الگویی که به آسانی می‌تواند فقط ناشی از تصادف باشد. مِلیسا و لیز یک آزمون کولموگوروف-اسمیرنوف⁹ انجام دادند، که احتمالِ آمدنِ دو نمونه از یک توزیعِ زیربناییِ یکسان (یعنی «یکسان» بودنِ آماری‌شان) را محاسبه می‌کند. مقدار p برابر ۰٫۱۱ بود، که نشان می‌دهد ۱۱٪ از نمونه‌هایی که از یک توزیعِ یکسان برداشته شوند، فقط بر اثر تصادف به همین اندازه یا بیشتر با هم تفاوت خواهند داشت. مرزِ معمول برای یک تفاوتِ معنادار ۵٪ است، پس آنها این فرضیهٔ صفر را رد نکردند؛ یعنی تفاوت‌های کوچک بین اندازهٔ گونه‌های امروزی و فسیلی در این نمونه به آسانی می‌تواند ناشی از تصادف باشد و نه یک تفاوتِ واقعی بین اندازهٔ کلیِ دو گروه. به عبارت دیگر، به نظر نمی‌رسد فسیل شدن در این گروه وابسته به اندازه باشد. این یعنی هر الگویی که مِلیسا و لیز هنگام بررسیِ فرضیه‌های دیگرشان پیدا می‌کردند، به احتمال زیاد نشان‌دهندهٔ تفاوت‌های واقعی در اندازهٔ جثه و خطرِ انقراض بود.

آزمودنِ فرضیه‌های صفرِ ۱ و ۲ -آیا گونه‌های منقرض‌شده و در معرض تهدید همان توزیعِ اندازهٔ جثه را دارند که گونه‌های زنده و گونه‌های «کمترین نگرانی»؟

در این نمودارها، مثلث‌ها باز هم نشان‌دهندهٔ میانگینِ لگاریتمِ اندازهٔ جثهٔ هر گروه هستند. در سمت چپ، در یادداشتِ آبی، می‌بینیم که گونه‌های منقرض‌شده جثهٔ بزرگ‌تری نسبت به گونه‌های موجود (زنده) دارند. در سمت راست، می‌بینیم که گونه‌های در معرض تهدید جثهٔ بزرگ‌تری نسبت به گونه‌های «کمترین نگرانی» دارند. آیا این تفاوت‌ها معنادارند؟ آزمون‌های آماریِ مِلیسا و لیز نشان داد که معنادارند. کمتر از یک مورد از هر هزار نمونه‌ای که از یک توزیعِ یکسان برداشته شوند، فقط بر اثر تصادف تفاوتِ اندازه‌ای برابر یا بیشتر از تفاوتِ مشاهده‌شده بین گونه‌های منقرض‌شده و موجود خواهند داشت (مقدار p کمتر از ۰٫۰۰۱). و کمتر از سه مورد از هر هزار نمونه، فقط بر اثر تصادف تفاوتِ اندازه‌ای برابر یا بیشتر از تفاوتِ مشاهده‌شده بین گونه‌های در معرض تهدید و گونه‌های «کمترین نگرانی» خواهند داشت (مقدار p کمتر از ۰٫۰۰۳). این یعنی بسیار بعید است که تفاوت‌های اندازهٔ مشاهده‌شده فقط بر اثر تصادف رخ داده باشند، و بسیار محتمل‌تر است که تفاوت‌های واقعی بین دو مجموعهٔ نمونه وجود داشته باشد. داده‌های پژوهشگران باعث شد هر دو فرضیهٔ صفرِ دیگر را رد کنند: گونه‌های منقرض‌شدهٔ مارمولک در کارائیب بزرگ‌تر از گونه‌های زندهٔ مارمولک در کارائیب هستند، و گونه‌های در معرض تهدیدِ مارمولک در کارائیب بزرگ‌تر از گونه‌های «کمترین نگرانی» هستند.

این رشتهٔ دیگری از شواهد است که نشان می‌دهد وقتی پای انقراض در میان باشد، اندازهٔ جثه اهمیت دارد -احتمالِ اینکه گونه‌های بزرگ‌ترِ مارمولک در کارائیب در گذشته منقرض شده باشند بیشتر است، و احتمالِ اینکه امروز در معرض تهدید یا خطرِ انقراض باشند نیز بیشتر است. ولی چیزی که هنوز به‌طور کامل درک نمی‌کنیم این است که چرا؟ آیا گونه‌های بزرگ و کُندتولیدمثلِ مارمولک به کندی فرگشت می‌یابند و به همین دلیل به اندازهٔ گونه‌های کوچک‌تر با تغییرات محیطی سازگار نمی‌شوند؟ یا اینکه به قلمروهای زیستیِ بزرگ‌تری نیاز دارند و در نتیجه در برابر انقراض از طریق نابودیِ زیستگاه آسیب‌پذیرترند؟ پاسخ به این سوال‌ها بیشتر روشن خواهد کرد که برای بهینه کردنِ تلاش‌های حفاظتی‌مان چه کارهایی می‌توانیم انجام دهیم.

قدم در راه علم

مِلیسا عاشق نقاشی و طراحی است. او فکر می‌کرد در بزرگسالی هنرمند می‌شود. امروز او متوجه شده رویکردهایی که به هنرش شکل می‌دادند -قدردانی از طبیعت، پشتکار و دقت در جزئیات- او را دانشمند بهتری هم می‌کنند! لیز هم در ابتدا قصد نداشت دانشمند شود. او هرگز معلمِ علوم یا ریاضیِ زن نداشت، به همین دلیل نمی‌توانست خودش را در چنین شغلی تصور کند. اکنون او همان الگویی است که در کودکی نداشت!

منبع